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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung einer Koronaentladung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein hierauf gerichtetes Verfahren
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
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Ein
Koronagenerator, mit welchem zwischen zwei Elektroden eine Koronaentladung
als besondere Form des atmosphärischen
Plasmas erzeugbar ist, ist Gegenstand des DE-GM 88 07 090. Hierbei wird eine Walze
mit einem Ende der Sekundärspule eines
Transformators verbunden, deren anderes Ende mit einer länglichen
Elektrode verbunden ist, welche parallel und im Abstand zur Walze
angeordnet ist. Parallel zur Gleichspannungsquelle ist ein Kondensator
geschaltet, zu welchem parallel ein erstes Schalterpaar geschaltet
ist, zwischen dessen Schaltern die Primärspule des Transformators in
Serie geschaltet ist. Ferner ist ein zweites Schalterpaar parallel
zu dem Kondensator geschaltet, zwischen dessen Schaltern die Primärspule des
Transformators ebenfalls in Serie geschaltet ist. Die elektronischen
Schalter sind jeweils in gleicher Durchlassrichtung geschaltet.
Die beiden Schalterpaare werden gegenphasig durch einen Frequenzgenerator
angesteuert. Hierdurch wird zwischen der Elektrode und der Walze
jeweils eine Hochspannung aufgebaut, die zu einer Koronaentladung
führt,
wobei über
die Walze beispielsweise eine Kunststofffolie läuft, deren Oberfläche durch
die Koronaentladung in einer Art und Weise vorbehandelt wird, welche
die Oberflächenspannung
der Kunststofffolie herabsetzt und diese damit bedruckbar macht.
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Der
in dem genannten Gebrauchsmuster beschriebene Transformator ist
als Anpassungstransformator ausgebildet, bei welchem die Anzahl
der Windungen der Primärwicklung
veränderbar
ist, um zum Einen die erforderliche Hochspannung zu erzeugen und
zum Anderen durch geeignete Wahl des Übersetzungsverhältnisses
den Generatorwiderstand und die Lastimpedanz aufeinander abzustimmen.
Die Änderung
der Lastimpedanz wird hervorgerufen von z. B. verschiedenen vorzubehandelnden Materialien,
verschiedenen dielektrischen Werkstoffen mit denen die Elektrode
beschichtet ist, und verschiedenen mechanischen Abmessungen.
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Eine
Weiterbildung der beschriebenen Schaltung ist Gegenstand der
DE 39 23 694 C1 ,
welche einen Koronagenerator zum Gegenstand hat, der dadurch ausgezeichnet
ist, dass der Frequenzgenerator in seiner Frequenz veränderbar
ist und eine Phasenmessschaltung aufweist, wobei der Phasenwinkel
zwischen dem die Primärwicklung
durchfließenden
Strom und der an der Primärwicklung
anliegenden Spannung ermittelt wird und das zum Phasenwinkel zwischen
Strom und Spannung proportionale Ausgangssignal den Frequenzgenerator
ansteuert und dessen Frequenz auf einen Wert verändert, bei welchem der Phasenwinkel
einen vorgegebenen Wert annimmt.
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Ähnliche
Anordnungen bzw. Verfahren sind beschrieben in IEEE Transactions
on Industry Applications, vol. 1a – 11, Nr. 3, Mai/Juni 1975,
328 bis 335 und in den US-Patenten
US
5,401,368 und
US 4,145,386 .
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Bei
den beschriebenen Druckschriften ist die zwischen den Elektroden
anliegenden Spannung im wesentlichen sinusförmig, was sich auch durch schaltungstechnische
Maßnahmen
bereits aufgrund der hohen Induktivität des Transformators, der unmittelbar
an die Elektroden angekoppelt ist und mit diesen einen elektrischen
Schwingkreis bildet, nicht vermeiden lässt.
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Es
wurde nunmehr herausgefunden, dass die Wirksamkeit der Oberflächenbehandlung,
z. B. einer Kunststofffolie, im wesentlichen nicht von der übertragenen
Leistung, also auch nicht von Integral der anliegenden Wellenform,
bestimmt wird, sondern im wesentlichen durch die Geschwindigkeit
des Spannungsanstiegs (12th International Symposium on Plasma Chemistry,
August 21-25, 1995, Proceedings, Vol. II, S. 735-740). Die WO 2004/016052
A1 beschreibt daher ein Verfahren zur Erzeugung eines Gasplasmas,
wobei die Wellenform, abweichend vom sinusförmigen Verlauf, im Bereich
des Maximums abgeschnitten ist, so dass das Integral geringer wird,
der Bereich des Spannungsanstiegs über der Zeit jedoch im wesentlichen
unverändert
erhalten bleibt. Ein solches Verfahren bietet den Vorteil, dass bei
geringerer Leistungsübertragung
und damit geringerer Erwärmung
der Elektroden der gleiche Oberflächenbehandlungseffekt erzielt
wird.
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Eine
alternative Lösung
zur Erzeugung möglichst
hoher Spannungsanstiegswerte zeigt die
DE 196 16 187 B4 , wobei
dem sinusförmigen
Signalverlauf in deren Maxima ein Spannungspuls mit deutlich kürzerer Anstiegszeit überlagert
wird, um die Gasentladung zu zünden.
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Beide
Druckschriften gehen jedoch von einem im wesentlichen unveränderten
und bei der WO 2004/016052 A1 nur geringfügig beeinflussbaren sinusförmigen Signalverlauf
aus, mit dem Nachteil, dass relativ viel Energie an die Elektroden übertragen wird
und damit ein hoher Verlust und eine hohe Wärmeerzeugung an den Elektroden
einhergeht.
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Es
besteht die Aufgabe, eine gattungsgemäße Anordnung und Verfahren
zur Erzeugung einer Koronaentladung so weiterzubilden, dass zur
Erzeugung der Koronaentladung eine wesentlich geringere Energieübertragung
erfolgt.
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Darüber hinaus
wäre es
wünschenswert,
bei einer Korona-Vorbehandlungsanlage auf die teure und empfindliche
dielektrische Beschichtung der Elektrode verzichten zu können, die
bislang notwendig ist, um ein unkontrolliertes Durchschlagen der Hochspannung
und damit eine Beschädigung
der vorzubehandelnden Folie zu vermeiden.
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Gelöst werden
diese Aufgaben durch eine Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Zwei
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen näher
erläutert.
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1 zeigt
ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung;
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2 zeigt
ein Spannungszeitdiagramm eines Steuerverfahrens für ein erstes
Ausführungsbeispiel
der Anordnung nach 1;
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3 zeigt
ein Spannungszeitdiagramm eines Steuerverfahrens für ein zweites
Ausführungsbeispiel
der Anordnung nach 1;
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Die
in 1 gezeigte Schaltung zur Erzeugung einer Koronaentladung
weist eingangsseitig eine Gleichspannungsquelle 1 auf.
Die Gleichspannungsquelle 1 besteht aus einem Netztransformator 2,
der eingangsseitig mit einem Wechsel-Spannungs-/Stromnetz verbunden ist,
beispielsweise einem 400 V/50 Hz-Spannungsnetz. Ausgangsseitig ist
der Netztransformator 2 mit einem Gleichrichter 3 verbunden.
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Der
Gleichrichter 3 weist zwei Ausgänge G1 und G2 auf, wobei der
Ausgang G1 gegenüber
dem Ausgang G2 höheres
Potential aufweist. Zwischen die Ausgänge G1 und G2 und parallel
zum Gleichrichter 3 ist ein Kondensator C3 geschaltet.
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Weiter
ist zwischen die Ausgänge
G1 und G2 des Gleichrichters 3 parallel zu dem Kondensator
C3 ein Paar in Reihe geschalteter elektronischer Schalter S1 und
S2 geschaltet. Die beiden elektronischen Schalter S1 und S2 sind
an einem Knoten V miteinander verbunden, so dass der Ausgang des
Schalters S1 mit dem Eingang des Schalters S2 verbunden ist. Die
Schalter S1 und S2 werden durch eine Ansteuereinheit 4 angesteuert
die einen hier nicht gezeigten Frequenzgenerator aufweist.
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Von
dem mit dem Anschluss G1 des Gleichrichters 3 verbundenen
Eingang des Schalters S1 führt
eine Verbindungsleitung A, von dem Knoten V eine Verbindungsleitung
B und von dem mit dem Ausgang G2 des Gleichrichters 3 verbundenen
Ausgang des Schalters S2 eine Verbindungsleitung C zu den im folgenden
näher beschriebenen
Elektroden.
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Der
Block 5 in 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Anordnung. Bei
diesem Ausführungsbeispiel
ist eine Elektrodenanordnung E zur Erzeugung einer Koronaentladung durch
ihr Ersatzschaltbild, bestehend aus der Reihenschaltung einer Kapazität CE und
eines Widerstands RE, dargestellt. Die Elektrodenanordnung E entspricht
im wesentlichen der in der DE-GM 88 07 090 beschriebenen Elektrodenanordnung,
allerdings weist bei der vorliegenden Erfindung keine der Elektroden
eine dielektrische Beschichtung auf. Eine drehbar angeordnete Walze
der Elektrodenanordnung E weist eine elektrisch leitfähigen Oberfläche auf,
die eine erste Elektrode E1 bildet. Eine länglichen Elektrode mit einer
elektrisch leitfähigen
Oberfläche,
welche parallel und im Abstand zu der die Walze angeordnet ist,
bildet eine zweite Elektrode E2 der Elektrodenanordnung E. Die Elektrode
E1 ist in diesem Ausführungsbeispiel über die
Verbindungsleitung B mit dem Knoten V und die zweite Elektrode E2 über die
Verbindungsleitung C mit dem Ausgang G2 des Gleichrichters verbunden.
Die Elektrodenanordnung E ist somit parallel zum elektronischen Schalter
S2 geschaltet.
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Um
eine Koronaentladung zwischen den Elektroden E1 und E2 zu erzeugen,
wird die Eingangsspannung des Netztransformators 2 auf
eine Hochspannungs-Wechselspannung transformiert, die anschließend im
Gleichrichter 3 zu einer Hochspannungs-Gleichspannung gleichgerichtet
wird, die an den Ausgängen
G1 und G2 des Gleichrichters anliegt. Diese Gleichspannung hat einen
Wert von 30 kV. Durch den Kondensator C3 wird die Gleichspannung
geglättet
und gesiebt.
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Damit
eine Koronaentladung stattfindet, muss dann zwischen den Elektroden
E1 und E2 kurzzeitig eine Spannung angelegt werden, die einen möglichst
schnellen Spannungsanstieg aufweist. Die angelegte Spannung kann
deutlich höher
sein als die Durchschlagspannung bei beständigem Anliegen einer konstanten
Spannung, wenn die Dauer der Spannungspulse nur ausreichend kurz
ist. Hierdurch bilden sich an der Elektrodenanordnung E Entladungskanäle aus,
sog. Streamer, bei denen noch kein Spannungsdurchschlag erfolgt.
Liegt die Spannung zu lange an der Elektrodenanordnung E an, so
wandeln sich die Streamer-Entladungskanäle in sog. Leader-Entladungskanäle um, die
unmittelbar zu einem Spannungsdurchschlag an der Elektrodenanordnung
E führen.
Ein solcher Spannungsdurchschlag muss unbedingt vermieden werden,
um Beschädigungen
der zu behandelnden Folie und der Elektrodenanordnung E zu verhindern.
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Der
Spannungsanstieg und die Dauer der Spannungspulse 7 müssen also
so bemessen sein, dass sich einerseits eine Koronaentladung ausbilden kann,
und dass sich andererseits keine Leader-Entladungskänale ausbilden,
die zum Spannungsdurchschlag führen
würden.
Damit es beim darauf folgenden Spannungspuls nicht zu einem Spannungsdurchschlag
kommt, muss der Bereich zwischen den beiden Elektroden E1 und E2
möglichst
frei von Ladungsträgern
sein. Es muss also zwischen zwei Spannungspulsen eine ausreichend
lange Zeit vergehen, in der in diesem Bereich noch vorhandene Ladungsträger verschwinden,
beispielsweise durch Rekombination. Diese Zeit hängt von einer Vielzahl von Randbedingungen
ab, beispielsweise von der Luftfeuchtigkeit, der Temperatur, der
Luftströmungsgeschwindigkeit
der Ladungsträger
usw.
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Ein
mögliches
Steuerverfahren für
die Schalter S1 und S2 beim ersten Ausführungsbeispiel zeigt das Spannungszeitdiagramm
in 2. In den beiden oberen Diagrammen sind die Einschaltzustände der Schalter
S1 und S2 über
der Zeit aufgetragen, während
im unteren Diagramm der Verlauf der Spannung UE mit der Amplitude Û zwischen
der Elektrode E1 und E2 dargestellt ist, wobei Û auch deutlich höher sein
kann als die Durchschlagspannung bei beständig anliegender konstanten
Spannung. Die Darstellung der Zeiten in 2 erfolgt
hierbei aufgrund der sehr unterschiedlichen Dauer von Spannungspulsen und
Schaltperioden nur qualitativ und nicht maßstäblich.
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Vor
der Koronaentladung sind die beiden Schalter S1 und S2 beide ausgeschaltet,
also nicht leitend, so dass an der Elektrodenanordnung E keine Spannung
anliegt und keine Energie zur Elektrodenanordnung E übertragen
wird.
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Zu
Beginn der Schaltperiode 8 (100 μs) wird für eine kurze Dauer 9 (1 μs) der Schalter
S1 angesteuert und eingeschaltet, so dass an der Elektrodenanordnung
E die Hochspannungs-Gleichspannung anliegt.
Aufgrund der hohen Schaltgeschwindigkeit des Schalters S1 erfolgt
der Spannungsanstieg an der Elektrodenanordnung E sehr schnell,
beispielsweise innerhalb von 100 ns. Die Gleichspannung an der Elektrodenanordnung
E darf nur so lange anliegen, dass sich nur Streamer ausbilden und
sich nicht zu Leadern fortbilden können, die einen Spannungsdurchschlag
an der Elektrodenanordnung E zur Folge hätten. Hierdurch wird also die
Einschaltdauer des Schalters S1 bestimmt.
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Zum
Ausschalten der Gleichspannung an der Elektrodenanordnung E wird
dann der Schalter S1 ausgeschaltet, während gleichzeitig der Schalter S2
angesteuert und eingeschaltet wird. Hierdurch wird die Elektrodenanordnung
E von der Gleichspannung getrennt und über den Schalter S2 kurzgeschlossen,
so dass sich die in der Kapazität
CE der Elektrodenanordnung E gespeicherte elektrische Ladung über den
Widerstand RE der Elektrodenanordnung und den Schalter S2 entladen
kann. Die Entladung muss so lange erfolgen, dass keine Streamer-Entladungskanäle mehr
vorhanden sind, so dass sich beim nächsten Spannungspuls nicht
sofort ein Leader-Entladungskanal ausbildet, der zum sofortigen
Spannungsdurchschlag an der Elektrodenanordnung E führen würde.
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Für den Rest
der Periodendauer 8 bleibt der Schalter S1 geöffnet, der
Schalter S2 wird geschlossen, kann aber auch wieder geöffnet werden.
Vorteilhafterweise bleibt der Schalter S2 so lange geschlossen,
bis sich die Elektrodenanordnung E vollständig entladen hat. Die Schaltperiode 8 ist
nun beendet. Zur Erzeugung der Koronaentladung der nächsten Periode
wird dann wieder der Schalter S1 geschlossen, während gleichzeitig S2 geöffnet wird,
um einen Kurzschluss der Gleichspannungsquelle 3 zu vermeiden.
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Wird
in 1 der Schaltungsblock 6 statt 5 verwendet,
so ergibt sich ein zweites Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Anordnung.
Schaltungsblock 6 enthält
wieder die bereits in Schaltungsblock 5 erläuterte Elektrodenanordnung
E. Die erste Elektrode E1 ist wieder über die Verbindungsleitung B
mit dem Knoten V verbunden, während
die zweite Elektrode E2 über
einen Kondensator C1 und die Verbindungsleitung A mit dem ersten
Ausgang G1 bzw. über
einen Kondensator C2 und die Verbindungsleitung C mit dem zweiten
Ausgang G2 des Gleichrichters 3 verbunden ist.
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Durch
die beiden Kondensatoren C1 und C2, die möglichst identische Werte aufweisen
sollten, wird die Hochspannungs-Gleichspannung an den Ausgängen G1
und G2 des Gleichrichters 3 halbiert, so dass zwischen
den Elektroden E1 und E2 der Elektrodenanordnung E jeweils maximal
die halbe Hochspannungs-Gleichspannung anliegt, in diesem Fall ist
die Amplitude von UE also Û/2
= ±15
kV.
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Die
Spannungspulse 7 zur Erzeugung der Koronaentladung werden
bei diesem Ausführungsbeispiel
durch kurzzeitiges gegenphasiges Ansteuern der Schalter S1 und S2
erzeugt, wie im Spannungszeitdiagramm der 3 dargestellt.
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Ist
der Schalter S1 leitend, so liegt Kondensator C1 an der Elektrodenanordnung
E, so dass eine positive Gleichspannung anliegt. Nach der kurzen
Zeitdauer 11 wird der Schalter S1 dann ausgeschaltet, so
dass an der Elektrodenanordnung E keine Spannung anliegt. Nach der
Hälfte
der Periodendauer 8, gemessen vom Beginn des positiven
Spannungspulses 7, wird dann der Schalter S2 für eine kurze
Zeitdauer 11 eingeschaltet, so dass der Kondensator C2
parallel zur Elektrodenanordnung E geschaltet wird und hierdurch
ein entgegen gesetzter, also negativer Spannungspuls an der Elektrodenanordnung
E anliegt.
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Auch
hier ist wichtig, dass die Dauer 11 der Spannungspulse 7 so
bemessen ist, dass einerseits ein ausreichend schneller Spannungsanstieg
der Elektrodenanordnung E sichergestellt ist, um eine Koronaentladung
zu erreichen, und dass sich andererseits keine Leader ausbilden,
die zu einem Durchschlag führen
würden.
Die Entladedauer zwischen zwei Spannungspulsen 7 bemisst
sich ebenfalls wie oben beschrieben.
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Durch
die ständig
abwechselnde Polarität der
an der Elektrodenanordnung E angelegten Gleichspannung wird verhindert,
dass sich eine zu bearbeitende Folie aufgrund einer stets wiederkehrenden
gleichpoligen Ladespannung auf eine Polarität auflädt, wodurch nach dem Aufwickeln
der Folie letztendlich ein aufgeladener Wickelkondensator entstünde.
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Um
die Spannungspulse 7 mit Frequenzen bis zu 20 kHz schalten
zu können,
werden für
die Schalter S1 und S2 Transistoren, IGBTs oder MOSFETs eingesetzt.
Aufgrund des betragsmäßig hohen Spannungswerts
der Hochspannungs-Gleichspannung von bis zu 30 kV sind die Schalter
S1 und S2 aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten, kaskadierend
zusammengesetzten Schaltelementen gebildet, beispielsweise Transistoren,
IGBTs, oder MOSFETs, die dann von der Ansteuereinheit 4 entsprechend
gleichmäßig angesteuert
werden müssen.
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Die
Ansteuereinheit 4 weist einen Frequenzgenerator auf. Bei
der Ansteuereinheit 4 kann es sich um eine eigene Ansteuer-
oder Treiberschaltung, aber auch um einen Mikrorechner oder einen
Steuerrechner handeln, der weitere Aufgaben wahrnimmt.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
weißt
den besonderen Vorteil auf, dass nur soviel Energie an die Elektrodenanordnung übertragen
werden muss, wie zur Erzeugung der Koronaentladung notwendig ist.
Somit kann der Energieverlust und die Wärmeerzeugung an der Elektrodenanordnung
E optimiert werden.
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Ebenso
ermöglicht
es die Anordnung, Spannungspulse sehr kurzer Dauer mit schnellem
Spannungsanstieg bei gleichzeitig kurzer Schaltperiode, also hoher
Schaltfrequenz, zu erzeugen.
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Weiter
stellt die Anordnung nach der Erfindung sicher, dass keine unkontrollierten
Durchschläge
zwischen den Elektroden auftreten, die die vorzubehandelnde Folie
beschädigen
würden.
Deshalb können
die nach dem Stand der Technik benötigten dielektrischen Beschichtungen
auf den Elektroden bei der erfindungsgemäßen Anordnung weggelassen werden.
Aber auch bei Elektrodenanordnungen mit dielektrischen Beschichtungen
wird durch die Erfindung eine Verbesserung der Behandlung der Folien erreicht.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
nach 3 kommt als weiterer Vorteil hinzu, dass sich
aufgrund der ständig
wechselnden Polarität
der an der Elektrodenanordnung E angelegten Gleichspannung die zu bearbeitende
Folie nicht auf eine Polarität
auflädt,
so dass sich die Folie nach dem Aufwickeln leicht weiterverarbeiten
lässt.